CN110011547A - 一种高频逆变器低杂散电感的母排 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高频逆变器母排结构领域，具体涉及一种高频逆变器低杂散电感的叠层母排。包括主母排和用于抑制母排杂散电感的吸收电容模块；所述主母排包括正铜排和负铜排两层铜排，所述正铜排和所述负铜排叠层放置，在两层铜排的中间以及两侧铺设绝缘材料；所述主母排的两端向同一侧折叠，形成U型的双层折叠结构，包括依次连接的第一竖直部、水平部和第二竖直部，所述第一竖直部为直流输入端；所述吸收电容模块包括用于吸收直流电压振荡的第一组吸收电容和用于提升功率密度的第二组吸收电容。本发明的母排采用U型的双层折叠结构，结构紧凑、安装方便，不仅降低了杂散电感，还有效提升了高频逆变器的功率密度。
Description
技术领域
本发明属于高频逆变器母排结构技术领域，具体涉及一种高频逆变器低杂散电感的叠层母排。
背景技术
近年来，在通讯、交通和电力等诸多领域，逆变器得到了广泛应用，并且正在朝着高频、高效和高功率密度的方向发展。随着逆变器对体积和效率的要求提高，其工作频率必然要不断提高。高开关速度势必会带来高开关损耗和高电压应力，因此逆变器对回路杂散参数的要求也更加苛刻，为了消除杂散电感所引起的开关损耗和电压过冲问题，必须尽量优化主回路的杂散参数。
现有的母排多数是将两层铜排固定在元器件上，在中间加入绝缘材料，对杂散电感的抑制效果并不十分理想；另外，由于布局的不合理，在某种程度上会增大功率密度和投入成本。
发明内容
针对现有母排对杂散电感的抑制效果并不十分理想和布局不合理的问题，本发明提供一种高频逆变器低杂散电感母排，能够有效降低杂散电感、减小投入成本，同时提升功率密度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高频逆变器低杂散电感的母排，包括主母排和用于抑制母排杂散电感的吸收电容模块；
所述主母排包括正铜排和负铜排两层铜排，所述正铜排和所述负铜排叠层放置，在两层铜排的中间以及两侧铺设绝缘材料；所述主母排的两端向同一侧折叠，形成U型的双层折叠结构，所述U型的双层折叠结构包括依次连接的第一竖直部、水平部和第二竖直部，所述第一竖直部为直流输入端；
所述吸收电容模块包括用于吸收直流电压振荡的第一组吸收电容和用于提升功率密度的第二组吸收电容；
在所述水平部靠近所述第一竖直部的一侧设置第一组电容接口，所述第一组电容接口用于接入所述第一组吸收电容；在所述第二竖直部的上端设置母线支撑电容接口，在所述第二竖直部的下端设置第二组电容接口，所述第二组电容接口用于接入所述第二组吸收电容，在所述第一组电容接口和所述第二组电容接口之间设置开关器件接口。
进一步地，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容并联设置，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均包括若干个小电容，且每组吸收电容中的所有小电容并联设置；
所述吸收电容模块中每一个所述小电容的电容容量Csnub满足：
式中，N为所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容中所有并联小电容的个数，Ioff为开关器件关断时刻的瞬态电流值，Lbb为母排杂散电感值，△U1为母排杂散电感引起的尖峰电压值。
进一步地，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均分别包括3-6个小电容。
进一步地，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均分别包括3个小电容。
进一步地，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均设置在所述第一竖直部和所述第二竖直部之间，所述第一组吸收电容设置在所述水平部的上部；在所述开关器件接口上接入SiC MOSFET开关功率器件，所述SiC MOSFET开关功率器件设置在所述水平部的下部。上述合理的布局以及紧凑的结构，易搭建且能够有效提升功率密度，增强了绝缘等级，减少了接口以及线路使用，抑制了电磁干扰，降低了成本。
进一步地，所述第一竖直部和所述第二竖直部向同一侧折叠的角度均为直角，即所述第一竖直部和所述第二竖直部均相对于所述水平部垂直设置。折叠的角度为直角结构的技术效果是：增大空间利用率，提升功率密度，又利于产品的小型化与集成化。
进一步地，所述正铜排和所述负铜排的尺寸规格相同，即所述正铜排和所述负铜排的宽度、厚度和长度均相同；
所述母排杂散电感Lbb满足：
式中，μ0是常数，b是铜排宽度，D为两层铜排的间距，h为铜排厚度，l为铜排长度；
通过控制铜排长度l为56.67cm，铜排宽度b为25.6cm，铜排厚度h为0.15cm，两层铜排的间距D为0.05cm，能够使母排杂散电感Lbb小于15nH。
进一步地，在所述第二竖直部的上端设置的母线支撑电容接口为四个，两负两正。
进一步地，所述高频逆变器低杂散电感的母排的功率密度最高能够达到15.84W/cm3；根据耐压测试实验数据，所述高频逆变器低杂散电感的母排能够承受电压至少DC5000V。
本发明有益技术效果：
本发明提供的母排将正铜排和负铜排叠层放置，形成U型的双层折叠结构，巧妙利用镜像电流的耦合原理，极大程度抑制降低了杂散电感；并且采用并联小电容的方式，对杂散电感进一步抑制，优化主回路中杂散电感，同时抑制电磁干扰；
本发明提供的母排采用U型的双层折叠结构合理进行结构布局，能够有效提升功率密度。
本发明提供高频逆变器母排只含两层铜排，根据耐压测试实验数据，能够承受较大直流电压，能够承受电压至少DC5000V。
本发明提供的母排采用U型的双层折叠结构，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均设置在所述第一竖直部和所述第二竖直部之间，所述第一组吸收电容设置在所述水平部的上部；在所述开关器件接口上接入SiC MOSFET开关功率器件，所述SiC MOSFET开关功率器件设置在所述水平部的下部；上述合理的布局以及紧凑的结构，易搭建且能够有效提升功率密度，增强了绝缘等级，减少了接口以及线路使用，抑制了电磁干扰，降低了成本。
附图说明
图1是本发明实施例中高频逆变器直流母排结构示意图；
图2为本发明实施例中主母排上各种接口示意图；
图3是本发明实施例中高频逆变器直流母排测试模型等效电路图；
附图标记：1.第一竖直部；2.水平部；3.第二竖直部；4.第一组吸收电容；5.第二组吸收电容；6.第一组电容接口；7.第二组电容接口；8.母线支撑电容接口；9.开关器件接口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
针对现有技术中，母排多数是将两层铜排固定在元器件上，在中间加入绝缘材料，对杂散电感的抑制效果并不十分理想；另外，由于布局的不合理，在某种程度上会增大功率密度和投入成本的技术问题。
本发明实施例提供一种高频逆变器低杂散电感母排，如图1所示，包括主母排和用于抑制母排杂散电感的吸收电容模块；
所述主母排包括正铜排和负铜排两层铜排，所述正铜排和所述负铜排叠层放置，在两层铜排的中间以及两侧铺设绝缘材料；所述主母排的两端向同一侧折叠，形成U型的双层折叠结构，所述U型的双层折叠结构包括依次连接的第一竖直部、水平部和第二竖直部，所述第一竖直部为直流输入端；
所述吸收电容模块包括用于吸收直流电压振荡的第一组吸收电容和用于提升功率密度的第二组吸收电容；
在所述水平部靠近所述第一竖直部的一侧设置第一组电容接口，所述第一组电容接口用于接入所述第一组吸收电容；在所述第二竖直部的上端设置母线支撑电容接口，在所述第二竖直部的下端设置第二组电容接口，所述第二组电容接口用于接入所述第二组吸收电容，在所述第一组电容接口和所述第二组电容接口之间设置开关器件接口。其中，在本实施例中，在所述第二竖直部的上端设置的母线支撑电容接口为四个，两负两正。
如图3所示，母排杂散电感Lbb包括Lbb1和Lbb2两部分，Lbb＝Lbb1+Lbb2。吸收电容只对Lbb1有作用，所以吸收电容越贴近功率器件Lbb2就越小，直至Lbb2→0，Lbb1→Lbb，Lbb1越大，吸收后母排杂散电感带来的冲击就越小。即理论上，开关器件接口与吸收电容接口越近，吸收电容模块就越贴近SiC MOSFET开关功率器件，吸收后母排杂散电感带来的冲击就越小，但是在实际工程中，受到整体布局的限制，只能是尽量缩短两者间距离。如图2所示在本发明实施例中，优选地，为了减小吸收后母排杂散电感带来的冲击，将所述开关器件接口设置于第一组电容接口和第二组电容接口两组吸收电容接口之间，与其他设置方式相比，该设置方式效果最优。
在本实施例中，所述主母排仅包括正铜排和负铜排两层铜排，能够承受较大直流电压；并且在两层铜排的中间以及两侧共设置三层绝缘材料，很好的提高了绝缘能力，绝缘电阻>20MΩ；能够承受的直流电压DC1000V，湿度95％。
所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容并联设置，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均包括若干个小电容，且每组吸收电容中的所有小电容并联设置；
所述吸收电容模块中每一个所述小电容的电容容量Csnub满足：
式中，N为所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容中所有并联小电容的个数，Ioff为开关器件关断时刻瞬态电流值，Lbb为母排杂散电感值，△U1为母排杂散电感引起的尖峰电压值。
电容容值达到一定值之后就可以完全抑制母排的杂散电感，但是电容本身带有寄生电感，而电感越并联越小，采取多个小电容并联目的是尽可能降低吸收电容所带来的杂散电感，但是小电容数量过多，会占用过多的空间，同时需要更长的母排，会减弱抑制效果，甚至导致回路杂散电感增大，所以并联吸收电容数量不宜过多。技术人员可以根据设计指标要求自行选择并联吸收电容数量。优选地，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均分别包括3-6个小电容。具体地，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均分别包括3个小电容。
在本实施例中，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均设置在所述第一竖直部和所述第二竖直部之间，所述第一组吸收电容设置在所述水平部的上部；在所述开关器件接口上接入SiC MOSFET开关功率器件，所述SiC MOSFET开关功率器件设置在所述水平部的下部。上述合理的布局以及紧凑的结构，易搭建且能够有效提升功率密度，增强了绝缘等级，减少了接口以及线路使用，抑制了电磁干扰，降低了成本。另外有利于增加空间利用率，提升功率密度，且又利于产品的小型化与集成化。
在本实施例中，所述第一竖直部和所述第二竖直部向同一侧折叠的角度均为直角，即所述第一竖直部和所述第二竖直部均相对于所述水平部垂直设置。折叠的角度为直角结构的技术效果是：增大空间利用率，提升功率密度，又利于产品的小型化与集成化。
所述母排杂散电感Lbb满足：
式中，μ0是常数，b是铜排宽度，D为两层铜排的间距，h为铜排厚度，l为铜排长度；为了减小母排杂散电感，需要控制两层铜排间距越小越好，铜排越宽越好、越短越好；在本发明实施例中：
在本实施例中，所述正铜排和所述负铜排的尺寸规格相同，即所述正铜排和所述负铜排的宽度、厚度和长度均相同；通过控制铜排长度l为56.67cm，铜排宽度b为25.6cm，铜排厚度h为0.15cm，两层铜排的间距D为0.05cm，能够使母排杂散电感Lbb小于15nH。
在本实施例中，将正负铜排与绝缘材料紧凑压接，最大程度的缩小两层铜排间隙，增强耦合效果，降低杂散电感。其中，正负铜排与绝缘层连接处分别制有相对配合的凹凸结构，所述凹凸结构要相互嵌入。采用压接技术可以避免焊接带来的变形及虚焊，以及焊接引入的杂散电感和电磁干扰等问题，同时能够保证机械连接和电气连接的可靠性。
所述高频逆变器低杂散电感的母排的功率密度最高能够达到15.84W/cm3；根据耐压测试实验数据，所述高频逆变器低杂散电感的母排能够承受电压至少DC5000V。
综上，本实施例提供的高频逆变器低杂散电感母排根据空间结构和元器件布局状态，设计低感母排。
在本实施例中，能够通过双脉冲实验确定合适的容值以及小电容个数，使杂散电感得到进一步抑制。如图3所示，当SiC MOSFET开关功率器件关断时，SiC MOSFET开关功率器件两端电压等于吸收电容端电压。此时，母线电容、母排杂散电感和吸收电容形成串联回路。根据KVL可得公式：
uC＝uDC-i·jωL (2)
其中，uDC为母线电容电压、uC为吸收电容电压、i为开关器件关断后吸收电容回路电流、j为是虚部单位、ω为角频率、L为是回路电感Lbb1、C为表示吸收电容模块总容值，即N*Csnub。
随着吸收电容的增大，回路中等效阻抗会呈先减小后增大的趋势。根据公式(1)和公式(2)可知，吸收电容端电压相应的先减小后增大，因此，通过并联吸收电容的方式可以优化主回路中杂散电感。
由于吸收电容越大所含有的寄生电感越大，而电感的并联可以使得电感减小，因此，采取多个小电容并联替代大电容的效果更佳。
在SiC MOSFET关断后，此时，母排杂散电感Lbb与吸收电容Csnub产生谐振，Lbb中储存的能量向Csnub转移。吸收电容的作用是吸收掉主回路中杂散电感在主回路强制改变电流方向时感应出的冲击电压的能量。电感释放的能量为：
式中Ioff为开关器件关断时刻瞬态电流。
根据电容储能公式，可得吸收电容模块中所有电容储存总能量为：
电容吸收能量应大于等于电感释放能量，可以得到吸收电容模块的电容容量Csnub满足：
N为所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容中所有并联小电容的个数，Ioff为开关器件关断时刻瞬态电流值，Lbb为母排杂散电感值，△U1为母排杂散电感引起的尖峰电压值。在本实施例中，并联3个吸收电容之后(N＝3时)，电压尖峰由235V降低至160V，并联6个吸收电容后(N＝6时)，电压尖峰降低至140V。
优选地，在本实施例中，直流输入端母线电压达1000V，第二竖直部上部设置四个母线支撑电容接口，两负两正；所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容中均包括并联接入的3个0.47uF小吸收电容；水平部下方设置6个开关器件接口；
使用两块600mm*256mm*1.5mm(长*宽*厚)铜板经钣金加工成正铜排和负铜排，加工后铜排长度l为56.67cm，铜排宽度b为25.6cm，铜排厚度h为0.15cm，两层铜排的间距D为0.05cm；然后折弯形成U型的双层折叠结构。
使用经验公式和分别对厚度、宽度和长度完全相同的铜排所构成传统平铺铜排(无吸收电容模块)和本实施例中U型的双层折叠结构的叠层母排进行杂散参数计算，杂散电感分别约为353nH和13nH。13nH和353nH是同等条件下本实施例中叠层结构和传统平铺结构的电感值对比，说明叠层母排杂散电感远小于平铺结构。
根据实验结果，在未并联吸收电容模块时回路总杂散电感为21.4nH，回路总杂散电感可表示为Lloop＝LD+Lbb1+Lbb2。其中Lbb1和Lbb2为直流母排杂散电感，一共13nH，LD是两个器件之间的杂散电感。并联三个0.47uF小吸收电容后回路总杂散电感为12.4nH，并联六个0.47uF小吸收电容后回路总杂散电感降低为10.9nH。
并联吸收电容后如果完全抑制了Lbb1，回路总杂散电感的理想值为21.4-13＝8.4nH，但是Lbb2是未能抑制的，另外并联吸收电容之后会引入吸收电容自身的寄生电感，所以加吸收电容抑制后仍大于8.4nH。另外，仿真与实验之间存在误差，在说明吸收电容效果时，使用同一实验条件下未并联吸收电容前的回路总杂散电感21.4nH和并联三个、六个小吸收电容后的回路总杂散电感12.4nH、10.9nH更为合适。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，而是要符合与本发明所公开的结构、原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种高频逆变器低杂散电感的母排，其特征在于，包括主母排和用于抑制母排杂散电感的吸收电容模块；
所述主母排包括正铜排和负铜排两层铜排，所述正铜排和所述负铜排叠层放置，在两层铜排的中间以及两侧铺设绝缘材料；所述主母排的两端向同一侧折叠，形成U型的双层折叠结构，所述U型的双层折叠结构包括依次连接的第一竖直部、水平部和第二竖直部，所述第一竖直部为直流输入端；
所述吸收电容模块包括用于吸收直流电压振荡的第一组吸收电容和用于提升功率密度的第二组吸收电容；
在所述水平部靠近所述第一竖直部的一侧设置第一组电容接口，所述第一组电容接口用于接入所述第一组吸收电容；在所述第二竖直部的上端设置母线支撑电容接口，在所述第二竖直部的下端设置第二组电容接口，所述第二组电容接口用于接入所述第二组吸收电容，在所述第一组电容接口和所述第二组电容接口之间设置开关器件接口。
2.根据权利要求1所述一种高频逆变器低杂散电感的母排，其特征在于，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容并联设置，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均包括若干个小电容，且每组吸收电容中的所有小电容并联设置；
所述吸收电容模块中每一个所述小电容的电容容量Csnub满足：
式中，N为所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容中所有并联小电容的个数，Ioff为开关器件关断时刻的瞬态电流值，Lbb为母排杂散电感值，△U1为母排杂散电感引起的尖峰电压值。
3.根据权利要求2所述一种高频逆变器低杂散电感的母排，其特征在于，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均分别包括3-6个小电容。
4.根据权利要求3所述一种高频逆变器低杂散电感的母排，其特征在于，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均分别包括3个小电容。
5.根据权利要求1-4任一项所述一种高频逆变器低杂散电感的母排，其特征在于，所述第一组吸收电容和所述第二组吸收电容均设置在所述第一竖直部和所述第二竖直部之间，所述第一组吸收电容设置在所述水平部的上部；在所述开关器件接口接入SiC MOSFET开关功率器件，所述SiC MOSFET开关功率器件设置在所述水平部的下部。
6.根据权利要求1所述一种高频逆变器低杂散电感的母排，其特征在于，所述第一竖直部和所述第二竖直部向同一侧折叠的角度均为直角，即所述第一竖直部和所述第二竖直部均相对于所述水平部垂直设置。
7.根据权利要求1所述一种高频逆变器低杂散电感的母排，其特征在于，所述正铜排和所述负铜排的尺寸规格相同，即所述正铜排和所述负铜排的宽度、厚度和长度均相同；
所述母排杂散电感Lbb满足：
式中，μ0是常数，b是铜排宽度，D为两层铜排的间距，h为铜排厚度，l为铜排长度；
通过控制铜排长度l为56.67cm，铜排宽度b为25.6cm，铜排厚度h为0.15cm，两层铜排的间距D为0.05cm，能够使母排杂散电感Lbb小于15nH。
8.根据权利要求1所述一种高频逆变器低杂散电感的母排，其特征在于，在所述第二竖直部的上端设置的母线支撑电容接口为四个，两负两正。
9.根据权利要求1所述一种高频逆变器低杂散电感的母排，其特征在于，所述高频逆变器低杂散电感的母排的功率密度最高能够达到15.84W/cm3；根据耐压测试实验数据，所述高频逆变器低杂散电感的母排能够承受电压至少DC5000V。
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